Lötbare Leiterplattenoberflächen

im Vergleich

Dr. L. Weitzel

8. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg 2005

1. Einführung

2. Lötoberflächen

3. Eigenschaften und Besonderheiten

4. Normen

5. Zusammenfassung

Auswahlkriterien für Leiterplattenoberflächen

LötenBondenKlebenEinpressen

thermische BeständigkeitLangzeitstabilitätLagerfähigkeit

FunktionalitätLayoutBauelemente

Zuverlässigkeit KostenUmweltverträglichkeitFügbarkeit

Prozess

Übersicht Leiterplattenoberflächen

Lötoberflächen sonstige Anwendungen (z.B. Stecker)

chemisch Nickel/Sudgold chemisch Nickel/Reduktivgoldchemisch Nickel/Palladium/Sudgold galvanisch Nickel/Gold (Softgold, Hartgold)chemisch Palladiumchemisch Silberchemisch ZinnOSP

HASL (SnPb)HASL (bleifrei)

Leiterplattenlötoberflächen

• HASL SnPb • HASL bleifrei

• chemisch Ni/Au• chemisch Ag

• chemisch Sn• OSP

chemisch Agchemisch Ni/Au OSPHASL chemisch Sn

Chemisch Nickel-Sudgold

• typ. Ni Schicht 4-7µmAbscheidung in chemischenProzeß; ReduktionsmittelNaH2PO2

• typ. Au Schicht 0,07-0,1µmAustauschreaktion

• niedrige Prozesstemperaturen (~90°C)

• ebene Schicht

Schliff durch Leiterplattenpad

Au

Ni

Cu

Chemisch Nickel-Sudgold

Prozessablauf :

80°C25°C45°C 90°C 55°C

Sudgold Reinigung Trocknenchem. NickelAktivierenVorreinigung

Reinigung und

ung der Oberf

Spülun

Entfett

läche

gAkti

vieru

ng dläc

he mer

Oberf

it Pd

Besch

ichtung

Ni sb

ad

Besch

ichtung

Ausb

ad

Spülung

Chemisch Nickel-Sudgold

Ni/Au Anlage

automatische Anlage inkl. Feed und Bleed System undonline Kontrolle der Prozeßparameter

Chemisch Nickel-Sudgold

Nickeloberfläche unter dem Lichtmikroskop

max. Vergrößerung650 fach

Chemisch Nickel-Sudgold

Nickeloberfläche unter dem Elektronenmikroskop

Vergrößerung5000 fach

Chemisch Nickel-Sudgold

Anwendungen für chem. NiAu

Fine Pitch StrukturenµVias

TastaturenAl-Draht Bonden

Chemisch Nickel-Sudgold

schematischer Aufbau einer BGA Lötstelle

FR4Cu

BGA Ball

Lötstoppmaske

intermetallische Phase

Ni-Schicht

Chemisch Nickel-Sudgold

schematischer Aufbau einer Lötstelle mit chemisch Nickel-Sudgold

Lötzinn

NiPNiP+

intermetallische PhaseNi-Sn-Au

Cu

FR4

Chemisch Nickel-Sudgold

Lötstelle mit chemisch Nickel-Sudgold

intermetallische Phase Ni-Schicht

Cu-Schicht

SnPb Lot

Chemisch Silber

• typ. Ag Schicht 0,1-0,4µmAustauschreaktion

• sehr niedrige Prozesstemperaturen (~50°C)

• ebene Schicht

• sehr gute Lötbarkeit/Lotdurchstieg

Chemisch Silber

Prozessablauf :

25°C 35°C 55°C 55°C35°C

Kondition-ierung

TrocknenPredip BeschichtungVorreinigung

Reinigung und

ung der Oberf

Spülunläc

he

Entfett

gKonditio

nierung d

Oberfläc

he

Spüluner

g Predip

&

Oxiden

tfern

ung Bes

chich

tung

& Spülungsb

ad

Chemisch Silber

Cu(s) + 2 Ag+(aq) Cu2+

(aq) + 2 Ag(s)

Chemisch Silber

Aufnahmen vom Elektronenmikroskop

sehr gleichmässige und plane Oberfläche

Chemisch Silber

Prinzipieller Aufbau einer chemisch Silber Schicht

org. Schutzschicht(sehr dünn ~10Å)

Organo-Silber Schicht(Schichtdicke 0,1-0,4µm)

Cu AL

Chemisch Silber

Anwendungen

Fine Pitch &HDI

LeiterplattenAl-Draht Bonden

Chemisch Silber

schematischer Aufbau einer Lötstelle mit chemisch Silber

Cu

Lötzinn

intermetallische PhaseSn-Cu

Ag diffundiert während des Lötprozessesin das Lötzinn

die intermetallische Phasewird zwischen dem Cu unddem Sn gebildet !

FR4

Chemisch Silber

Lötstelle mit chemisch Silber

intermetallische Phase

Cu-Schicht

SnPb Lot

Chemisch Silber

©NIST

Silber bildet mit Kupfer

keine intermetallische Phase

Chemisch Silber

Löt-Interface mit SnPb

Sample Area No 5

EDX Spektrum

©Cookson

kein Ag in intermetallischer Phase

Chemisch Silber

Löt-Interface mit SnAgCu

Stereomikroskop Elektronenmikroskop

Schliffebene

SnAg3Cu0,5 Lot & Ag der Leiterplatte

IMP SnCu

Cu

Rückstreubild derintermetallischen Zone

Chemisch Silber

Löt-Interface mit SnAgCu

Ag Sn

Rückstreubild

Cu

IMP SnCu

SAC Lot

Cu

intermetallische Phase SnCu

Chemisch Zinn

• typ. Sn Schicht 0,7-1µmAustauschreaktion

• niedrige Prozesstemperaturen (~70°C)

• ebene Schicht

• gute Lötbarkeit/Lotdurchstieg

Chemisch Zinn

Prozessablauf :

30°C 25°C 65°C 55°C35°C

Vorreinigung Predip Beschichtung Spülung &TrocknenMikroätze

Reinigung und

ung der Oberf

Spülunläc

he

Entfett

gKonditio

nierung d

Oberfläc

erhe

Predip

Sn-Bes

chich

tungsbad

Chemisch Zinn

2Cu(s) + Sn2+(aq) 2Cu+

(aq) + Sn(s)

Sn -0.14V

0 ln1 Cu

R TE E cF += + •ii

Nernst´sche Gleichung

Sn2++1/2O2+H2O Sn4++2OH-

Sn4++4H2O Sn(OH)4+4H+

SnO2+2H2O

Gefahr der Verschlammungdes Zinnbades

Chemisch Zinn

Anwendungen für chem. Sn

Fine Pitch StrukturenHDI Leiterplatten

Chemisch Zinn

schematischer Aufbau einer Leiterplatte mit chemisch Zinn

Cu

chemisch Zinnintermetallische PhaseSn-Cu

Sn :Schmelztemperatur 232°C

SnO (SnO2)

FR4

Die Bildung der intermetallische Phase Sn-Cu startet schon direkt nach demBeschichtungsvorgang der Leiterplatte.

Chemisch Zinn

Wachstum der intermetallischenPhase zwischenCu und Sn

Chemisch Zinn

schematischer Aufbau einer Lötstelle mit chemisch Zinn

intermetallische PhaseSn-Cu

Cu

SAC Lot

FR4

Lötzinn

Cu

FR4

Chemisch Zinn

Whiskerbildung

chemisch Zinn

innere Dehnungs- u. Zugspannungen

IMPSn-Cu

Cu

FR4

Chemisch Zinn

Whisker freie/reduzierte Prozesse

chemisch ZinnIMPSn-Cu

Cu

FR4

OSP (Organic Solderability Preservative)

• typ. OSP Schicht 0,2-0,4µm

• sehr niedrige Prozesstemperaturen (~50°C)

• ebene Schicht

• sehr gute Lötbarkeit/Lotdurchstieg

OSP (Organic Solderability Preservative)

Prozessablauf :

30°C 25°C 40°C 55°C30°C

Vorreinigung Precoat Beschichtung Spülung &TrocknenMikroätze

Reinigung und

ung der Oberf

Spülun

Entfett

läche

gKonditio

nierung d

Oberfläc

erhe

Precoat

tellung der

Cu Ionen

OSP-B

esch

ichtungsb

ad

Bereits

OSP (Organic Solderability Preservative)

Beispiel : Entek 106A +

++Cu

N

NC R N

N

C R N

N

C R N

N

C R

++Cu ++Cu ++Cu

N

N

C R N

N

C R N

N

C R N

N

C R

Cu Cu Cu CuCu Cu Cu Cu

• Bildung einer organometallischen, monomolekularen Schicht• Selektiver Aufbau der Schicht mittels Kupferionen

OSP (Organic Solderability Preservative)

schematischer Aufbau einer Lötstelle mit OSP

Cu

Lötzinn

intermetallische PhaseSn-Cu

die OSP Schicht verschwindetwährend des Lötvorgangs

die intermetallische Phasewird zwischen dem Cu unddem Sn gebildet !

FR4

Bleifrei HASL

• typ. HASL Schicht 1-40µm

• sehr hohe Prozesstemperaturen (~270°C)

• unebene/ballige Schicht

• gute Lötbarkeit/Lotdurchstieg

• Legierung SnCu, SnCuNi, SnAgCu

Bleifrei HASL

Prozessablauf :30°C 270°C 30°C30°C

Reinigung &TrocknungBeschichtungVorreinigung Flußmittel

Reinigung und

ung der Oberf

Spülunläc

he

Entfett

g

Aufbringen

des

Flußmittels

Besch

ichtung

Eintauch

en und A

bblasen

Bleifrei HASL

Schichtdickenverteilung

Bleifrei HASL

Test mit bleifrei HASL

eventuell erhöhter Kupferabtrag

eventuell Beeinträchtigung der Leiterplattenzuverlässigkeit bei therm . Belastung

Eigenschaften und Besonderheiten

Eigenschaften und Besonderheiten

• Schichtstärkenvariation• Oberflächenisolationsmessungen (SIR)• Oberflächenverunreinigung• Lagerzeitbestimmung• Besonderheiten

Schichtstärkenvariation

Schichtdickenverteilung HASL

chem. Oberfläche

Hot Air Solder Levelling

chemische Oberflächen

Schichtdicke vs Beschichtungszeit

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 2 4 6 8

t [min]

Schi

chtd

icke

[µm

]Schichtdicke = Fkt (Beschichtungszeit)

Schichteigenschaften

Oberflächenisolationsmessungen am Beispiel chem. Silber

50X original 150X original 1000X original

keine Migration; 500h 85°C/85%rF

Schichteigenschaften

Oberflächenisolationsmessungen am Beispiel chem. Silber

IPC TM 650 85°C/85%rF

9

10

11

12

13

14

0 2 4 6 8

t [Tage]

log

Wid

erst

and

[Ohm

]

IPC Standard1x109 Ohm

SIR-Messung

Schichteigenschaften

Ionische Verunreinigung : Ionographmessung

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 10 20 30 40 50t [min]

Veru

nrei

nigu

ng [µ

g/cm

2 NaC

l Äqu

ival

ent]

I Ag ENIG

IPC Standard1µg/cm2 NaCl

nach 6 MonatenLagerung

Lagerzeitbestimmung

Lagerzeitbestimmung am Beispiel chem. Silber

1 cm

4 h 155 °C 6 h 155 °C

® Enthone

visuelle Kontrolle nach Ofenlagerung

Lagerzeitbestimmung

Lagerzeitbestimmung am Beispiel chem. Silber

1 cm

3 x Reflow (260 °C) 6 x Reflow (260 °C)

® Enthone

visuelle Kontrolle nach Reflowprozesses

Lagerzeitbestimmung

Lagerzeitbestimmung am Beispiel chem. Silber

Anzahl Reflows

90

92,5

95

97,5

100

2,45 2,95 4,2 9,83

Beschichtungszeit [min]

Loch

füllg

rad

[%]

0 1x 2x 3x

©Enthone

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 1 2 3 4 5

t [sec]

F [m

N/m

m]

SAC 0XSAC 3XSAC 6X

Benetzungsverhalten nach Reflowprozesses

Lagerzeitbestimmung

Lebensdauer Langzeittest am Beispiel von chem. Silber

Benetzungsverhalten nach Langzeitlagerung

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 1 2 3 4 5 6 7 8

t [sec]

F [m

N/m

m]

88 Tage 239 Tage

Besonderheiten

Lötoberflächen in Kombination mitViafüll- und Kennzeichendruck

KennzeichnungsdruckViazudruck

beide Lacksysteme werden thermisch ausgehärtet !

Normen

Leiterplattennormen

• IPC-A-600F Abnahmekriterien für Leiterplatten• IPC 6011• IPC-6012A starre Leiterplatten• IPC 6013A flexible Leiterplatten• IPC-TM650 Testmethoden

Leiterplattenoberflächen

bleifrei typ. Schichtdicken

Löt-verbindung

Eben-heit

Eignung für Fine

Pitch

Temperaturstress im Prozeß

bond-fähig

Einpress-technik

HASL (SnPb) - 1-40 µm CuSn - o hoch - +

HASLz.B. SnCuNi + 1-40µm CuSn - o hoch - +

chem. Ag + 0,1-0,4µm CuSn + + niedrig +(Al) +

chem. Ni/Au + Ni 4-7µmAu 0,07-0,1µm NiSn + + niedrig +(Al) o

chem. Sn + 0,7-1µm CuSn + + niedrig - +

OSP + 0,2-0,4µm CuSn + + niedrig - +

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !